李 勇，王昭東，馬鳴圖，王國棟，付天亮，李家棟

高品質(zhì)鋁合金汽車板預(yù)處理氣墊爐技術(shù)

李 勇1，王昭東1，馬鳴圖2，王國棟1，付天亮1，李家棟1

（1.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110819；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039）

首先介紹了鋁帶預(yù)處理的原理、工藝特點(diǎn)及氣墊爐的工作原理，研究了汽車板生產(chǎn)工藝流程中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，指出了氣墊爐的工藝位置和不可替代的重要作用；回顧了鋁帶氣墊爐生產(chǎn)線的發(fā)展過程，并對(duì)其進(jìn)行了階段劃分和總結(jié)；分析了鋁帶氣墊爐的研究現(xiàn)狀，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，提出了鋁合金汽車板氣墊爐技術(shù)今后在工藝、設(shè)備及控制模型方面的研究重點(diǎn)。隨著汽車行業(yè)輕量化的快速發(fā)展，汽車用鋁帶氣墊爐裝備、生產(chǎn)工藝技術(shù)的研究與開發(fā)必將迎來一個(gè)新的發(fā)展階段。

鋁合金；汽車板；沙特板；氣墊爐；預(yù)處理工藝

1 前言

我國已成為汽車生產(chǎn)和使用大國，但汽車業(yè)快速發(fā)展給環(huán)境、能源消耗、安全等帶來巨大壓力。一方面鋁合金是汽車輕量化重要的材料，另一方面選用鋁合金薄板制造的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板、翼子板可以大大降低碰撞時(shí)對(duì)行人的傷害，利于行人保護(hù)法規(guī)的實(shí)施。因此，對(duì)于汽車工業(yè)來說，應(yīng)用鋁合金板帶材已是勢所必行[1～8]。

汽車覆蓋件用鋁合金薄板是鋁合金板帶中的頂級(jí)產(chǎn)品，因其需要具有抗時(shí)效穩(wěn)定性，良好的成形性、高的烘烤硬化性、良好的翻邊延性、高的抗凹形、良好的油漆工藝的兼容性和油漆表面的光鮮性這些相互矛盾的性能合理匹配，其生產(chǎn)技術(shù)和工藝難度非常之高[1，3，5，6]。在汽車鋁合金帶材的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中，熔煉-鑄造、熱軋、冷軋工序的裝備和技術(shù)與其他高精板帶（罐料、pre-sensitivity plate（PS）/computer-to-plate（CTP）板基）基本相同，但預(yù)處理設(shè)備及工藝技術(shù)則有較大差異，其中核心關(guān)鍵裝備是氣墊爐[2]。目前國內(nèi)汽車企業(yè)用高端鋁合金板帶材以進(jìn)口為主，國內(nèi)鋁加工企業(yè)尚不能批量穩(wěn)定供貨，其主要原因就在于氣墊爐設(shè)備和預(yù)處理的工藝技術(shù)被國外壟斷。由于進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴、供貨周期長，嚴(yán)重制約和影響了鋁合金板帶在國產(chǎn)汽車上的推廣應(yīng)用。

2 汽車板預(yù)處理及氣墊爐的原理

2.1 汽車板預(yù)處理

鋁合金熱處理的主要目的是提高強(qiáng)度和綜合性能，消除壓力加工過程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，以獲得均勻的組織和性能，基本工藝有固溶（淬火）、退火及時(shí)效等。固溶（淬火）是將鋁合金加熱到某一溫度區(qū)間保溫，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝；退火屬軟化處理，用以獲得穩(wěn)定、均勻的組織和優(yōu)良的加工塑性；固溶后時(shí)效是通過析出過程中的控制獲得各種性能匹配。

由于鋁合金的導(dǎo)熱性和塑性都較好，采用較快的加熱速度升溫也不會(huì)開裂。但淬火溫度有嚴(yán)格的上下限，如過高，會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化（過熱），或鋁合金中的共晶體發(fā)生熔化，導(dǎo)致工件報(bào)廢（過燒）；過低，一些硬質(zhì)相不能溶解，影響鋁合金淬火的過飽和度和隨后時(shí)效的析出過程；在不過熱的情況下，盡可能采用較高的溫度，使硬質(zhì)相得到充分的溶解和合金元素固溶，以在隨后的時(shí)效過程中形成沉淀相析出，從而獲得最大的強(qiáng)化效果。

固溶保溫時(shí)間與很多因素有關(guān)，如加熱方式（空氣爐或鹽浴爐等）、工件的厚薄、堆放的緊密程度以及熱處理前的變形程度等。常用的冷卻介質(zhì)有水霧、油霧和聚醚等，不同鋁合金固溶后的冷卻速度亦不相同。

為改進(jìn)汽車板外部的抗時(shí)效穩(wěn)定性和成形性，通常進(jìn)行預(yù)處理，即首先使硬質(zhì)相充分地固溶在鋁材中，再通過淬火過程形成過飽和固溶體，然后在預(yù)時(shí)效過程中取得抗時(shí)效穩(wěn)定性；加工后在油漆烘烤時(shí)獲得時(shí)效的最大強(qiáng)化效果（見圖1）。

2.2 氣墊爐工作原理

氣墊爐爐內(nèi)的氣流像墊子一樣把帶材支撐起來，同時(shí)又能把帶材加熱或冷卻。爐子以氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)和靜力效應(yīng)為基礎(chǔ)，發(fā)展了將帶材支撐在氣墊上的多種方法，帶材在爐內(nèi)必須穩(wěn)定地漂浮在一個(gè)適宜的高度上，同時(shí)氣流的速度又能保證與運(yùn)動(dòng)的帶材進(jìn)行高速熱交換。

圖1 鋁合金預(yù)處理原理示意圖Fig.1 Sketch map of aluminum pre-treatment

氣墊爐的氣墊噴嘴有很多種，圖2為一些氣墊噴嘴圖[9]。早期氣墊爐噴嘴以美國索菲斯公司（Surface）的靜動(dòng)壓方式最為著名，它取得了比較理想的氣墊漂浮效果，圖3a為該系統(tǒng)的靜氣墊噴嘴和動(dòng)氣墊噴嘴組合布置圖，圖3b為其中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的靜壓氣墊結(jié)構(gòu)圖[10]。靜氣墊采用方形結(jié)構(gòu)，主要作用類似輥道式的厚板熱處理爐輥，主要使帶材漂浮穩(wěn)定，對(duì)帶材具有支撐作用，同時(shí)也可上下加熱；動(dòng)氣墊采用圓形噴管結(jié)構(gòu)形式，布置在靜氣墊之間，可使帶材長度方向獲得最大的熱傳導(dǎo)，這種噴管氣流速度、壓力上下相等，對(duì)帶材不起支撐作用，只布置在加熱區(qū)，主要起快速均勻加熱作用。氣墊爐噴嘴形式一直在不斷發(fā)展變化，圖4示出了目前一種典型的結(jié)構(gòu)，兼有動(dòng)靜氣墊的功能，上下氣墊噴嘴交錯(cuò)布置，鋁帶在爐內(nèi)蛇形前進(jìn)。

圖2 一些氣墊噴嘴形式Fig.2 Some air nozzle forms

圖3 索菲斯公司的靜動(dòng)壓氣墊Fig.3 Air cushion of Surface Co.Inc

圖4 某典型氣墊噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of typical air cushion nozzle

3 汽車板生產(chǎn)線

3.1 汽車板生產(chǎn)工藝流程及氣墊爐的特點(diǎn)和作用

高端鋁板帶有四種，即汽車鋁板帶（ABS板——auto body sheet、沙特板“shate products”——?dú)W洲商用汽車鋁板的商品名稱）、航空航天鋁板、PS/CTP印刷鋁板基、罐體帶卷；其中汽車板的生產(chǎn)工藝難度最高，因?yàn)樗缶哂锌箷r(shí)效穩(wěn)定性、良好的成形性、高的烘烤硬化性等這些相互矛盾的性能合理匹配[2，11，12]。目前，只有諾威力鋁業(yè)公司、美鋁公司、海德魯鋁業(yè)公司、愛勵(lì)國際公司、日本神戶鋼鐵公司、諾貝麗斯公司等國外知名企業(yè)能夠批量穩(wěn)定生產(chǎn)這類鋁合金板帶材。其生產(chǎn)技術(shù)路線是：通過關(guān)鍵合金成分的優(yōu)化，賦予合金良好的性價(jià)比和良好的工藝性能；采用合理的軋制工藝和特有的均勻化處理工藝，以得到細(xì)晶粒和細(xì)化的第二相，滿足成形或翻邊延性的工藝性能要求；采用專用的氣墊爐實(shí)現(xiàn)特殊的預(yù)處理工藝，賦予鋁合金板帶材高的抗時(shí)效穩(wěn)定性、成形性和烘烤硬化性等特性，從而開發(fā)出高強(qiáng)度、高成形性、表面質(zhì)量優(yōu)異的鋁合金板帶材，生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

鋁合金在熱處理過程中強(qiáng)度低，容易表面擦傷，且處理效果對(duì)溫度敏感性較高，不能應(yīng)用普通熱處理裝備來實(shí)施相關(guān)的工藝過程，只能采用氣墊式連續(xù)熱處理爐。在汽車板的整個(gè)生產(chǎn)工藝流程中，氣墊爐是關(guān)鍵裝備，其特點(diǎn)如下。

圖5 典型汽車板生產(chǎn)工藝流程Fig.5 Production technic flow of typical ABS

1）可獲得表面質(zhì)量高的帶材。鋁帶在爐內(nèi)受上、下氣流的作用不與其他任何物體接觸，避免了表面的擦傷、劃傷；另外，高速的熱氣流直接吹到帶板表面上，使附著在帶材表面的殘留物被迅速除掉。與立式爐或鹽浴淬火爐相比，帶材無擦、劃痕，也無吊架和夾具造成的軟點(diǎn)和缺陷。與箱式退火爐相比，連續(xù)處理也不會(huì)發(fā)生在箱式爐板垛退火時(shí)的粘結(jié)現(xiàn)象。

2）可獲得較好的組織，提高帶材的耐蝕性和力學(xué)性能。氣墊爐內(nèi)帶材的上下表面直接受高速熱空氣或高速冷空氣的作用，其強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)比箱式爐大2.5倍以上。帶材在氣墊爐中加熱迅速而均勻，能夠得到細(xì)小而均勻的細(xì)晶粒組織，保證了帶材具有較高的耐蝕性、力學(xué)性能及良好的各向同性和成形性，且產(chǎn)品性能穩(wěn)定，因此可以有效消除沖壓時(shí)出現(xiàn)的桔皮缺陷和減少在沖壓時(shí)形成“耳朵”所造成的金屬損失。

3）整個(gè)熱處理過程可連續(xù)進(jìn)行，處理時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高。通過前后配置開卷、縫合、清洗、活套、矯直、時(shí)效、涂油等設(shè)備，可與精整機(jī)組完美的組合為一體，使處理合理連貫，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。同時(shí)，由于加熱和冷卻速度快，大大提高生產(chǎn)效率。

4）可實(shí)現(xiàn)多種熱處理工藝。通過對(duì)氣墊爐冷卻段多種冷卻方式（水冷、汽霧、氣冷）的配置，寬范圍、高精度冷卻速率的控制以及時(shí)效爐的合理組合，可以進(jìn)行退火、淬火、時(shí)效、T4Pd等多種熱處理工藝。

3.2 鋁帶氣墊爐生產(chǎn)線的發(fā)展

氣墊爐的發(fā)展總體上來看，可以分為兩個(gè)階段。

3.2.1 第一階段

1960—1990 為氣墊爐的初步發(fā)展和第一輪產(chǎn)線建設(shè)階段。在該時(shí)期，由于使用大型四輥熱軋機(jī)和液壓控制的多機(jī)架連續(xù)式冷軋機(jī)，可生產(chǎn)出公差小、表面質(zhì)量高、卷重大（5 t以上）的冷軋帶卷，此時(shí)用普通箱式熱處理爐很難生產(chǎn)出質(zhì)量高的帶材，其原因如下。a.鋁及鋁合金板帶材在退火、淬火溫度下強(qiáng)度很低，表面易相互粘結(jié)或與其他接觸物粘結(jié)而造成損傷。b.帶材在普通箱式熱處理爐中是以帶卷方式加熱的，熱是靠傳導(dǎo)逐漸從卷外傳到卷內(nèi)。隨著帶卷直徑的增大，加熱時(shí)間也要增加，有時(shí)竟長達(dá)十幾個(gè)小時(shí)。在這樣長的加熱過程中，由于卷外層長時(shí)間處于高溫下，晶粒長大特別嚴(yán)重。結(jié)果造成卷內(nèi)外晶粒嚴(yán)重不均，致使帶材的組織和力學(xué)性能不一致。c.軋制時(shí)附著在板帶材表面上的油漬或油污在加熱過程中難以揮發(fā)，污染表面，影響表面質(zhì)量。d.由于分批進(jìn)行熱處理，所以效率低，成本高。

因此，尋找一種高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低成本的連續(xù)式熱處理方式成為當(dāng)時(shí)十分重要的課題。美國在20世紀(jì)60年代初期首先建造了鋁帶材氣墊式連續(xù)熱處理精整機(jī)組。1966年歐洲也出現(xiàn)了第一臺(tái)處理鋁帶材的氣墊式熱處理精整機(jī)組。隨后日本也相繼建起這種機(jī)組。1960—1990年在歐美、日本等國家和地區(qū)掀起了第一輪氣墊爐的建設(shè)高潮。在這一時(shí)期，美國Surface的氣墊爐技術(shù)具有代表性。截至1990年，世界范圍內(nèi)主要的氣墊爐生產(chǎn)線如表1所示[13]。第一階段氣墊爐的建設(shè)目的主要是為了提高生產(chǎn)效率，降低燃耗和提高自動(dòng)化程度，并不是針對(duì)汽車板的生產(chǎn)需要，因此其技術(shù)含量和控制精度較低。

表1 截至1990年世界范圍內(nèi)的氣墊爐連續(xù)熱處理線Table 1 Air cushion furnace continuous heat treatment line in the world until 1990

3.2.2 第二階段

從2000年至今為氣墊爐的進(jìn)一步發(fā)展和第二輪產(chǎn)線建設(shè)階段。進(jìn)入21世紀(jì)之后，中國、印度、非洲等發(fā)展中國家或地區(qū)汽車業(yè)迅速發(fā)展，從而帶動(dòng)世界汽車工業(yè)繼續(xù)快速發(fā)展，汽車業(yè)的快速發(fā)展給環(huán)境、能源消耗、安全等帶來巨大壓力。為保證汽車工業(yè)的健康發(fā)展和有序競爭，各種法規(guī)日益嚴(yán)格，特別是輕量化和節(jié)能減排的要求日益提升，使得鋁合金在汽車行業(yè)應(yīng)用，以鋁代鋼可以實(shí)現(xiàn)汽車零部件減重達(dá)40%～50%，傳統(tǒng)燃油汽車重量每減輕10%，使用中可實(shí)現(xiàn)節(jié)油6%～8%（城市工況），CO2排放減少6%～8%；另外，選用鋁合金薄板制造的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋板、翼子板可以大大降低碰撞時(shí)對(duì)行人的傷害。歐洲已經(jīng)頒布實(shí)行了Directive 2003/ 102/EC和EuroNCAP行人保護(hù)法規(guī)，中國也即將強(qiáng)制實(shí)施行人保護(hù)法規(guī)。因此，鋁合金板帶在汽車工業(yè)中應(yīng)用是必然的趨勢。

從2000年開始，特別是從2010年下半年開始，國外平軋鋁產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)掀起了一股改擴(kuò)建汽車鋁薄板帶項(xiàng)目的浪潮，總投資超過12億美元，對(duì)五大洲8國4個(gè)跨國鋁業(yè)公司（不含中國的）的13個(gè)工廠的汽車薄板帶生產(chǎn)線進(jìn)行頂尖的技術(shù)改擴(kuò)建，新增生產(chǎn)能力約600 kt/a。2011年全球ABS鋁板帶生產(chǎn)能力約600 kt/a，生產(chǎn)量約350 kt，設(shè)備利用率約58.3%，中國沒有完整的生產(chǎn)線，可以認(rèn)為沒有生產(chǎn)能力。2013年全世界的生產(chǎn)能力可能達(dá)到930 kt/a，2015年有可能達(dá)到1 200 kt/a[2，3]。國內(nèi)近期也開始興建新的生產(chǎn)線。表2為目前世界上已建、改擴(kuò)建及在建的汽車板的主要生產(chǎn)線[2，14，15]。

表2 目前世界上已建、改擴(kuò)建及在建的汽車板的主要生產(chǎn)線Table 2 Main continuous heat treatment line of automobile and aviation aluminum strip in the world now

其中，紐約州奧斯威戈軋制廠為埃沃奎系列越野車鋁薄板獨(dú)家供應(yīng)商，為美洲虎、陸虎、發(fā)現(xiàn)者、羅孚提供鋁合金板帶已有20余年。艾奧瓦州（Iowa）達(dá)文波特軋制廠（Davenport）在投資3億美元的改擴(kuò)建后，增加汽車薄板專業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。當(dāng)前日資在華合資汽車公司所需的鋁合金薄板全從日本進(jìn)口。海德魯集團(tuán)（Hydro group）旗下的格雷文布羅伊（Grevenbroich）軋制廠是德國第二大、世界第三大平軋鋁廠，2010年鋁板、帶、箔的生產(chǎn)能力約為590 kt/a，產(chǎn)量大、品種全，包括汽車板帶、包裝材料、建筑板帶、結(jié)構(gòu)板帶與印刷板材（PS版基）等，海德魯鋁業(yè)公司汽車板材中心就位于該廠內(nèi)，有1條汽車鋁合金帶材涂層生產(chǎn)線，還有1條氣墊式熱處理生產(chǎn)線。

由于該輪改擴(kuò)建、新建浪潮其產(chǎn)品主要是滿足汽車工業(yè)需要的高品質(zhì)、高表面質(zhì)量、綜合性能好的ABS板、沙特板（shate products），因此這一階段改擴(kuò)建的鋁帶熱處理線技術(shù)水平較高。目前，在汽車用鋁帶熱處理領(lǐng)域，EBNER是全球氣墊爐成套設(shè)備較先進(jìn)的供貨商，但其價(jià)格昂貴，供貨周期很長。

目前國內(nèi)尚無生產(chǎn)汽車板等高端鋁帶熱處理氣墊爐的公司，國外對(duì)氣墊爐設(shè)備及其工藝技術(shù)對(duì)我國進(jìn)行封鎖，已嚴(yán)重制約了我國汽車用高品質(zhì)鋁合金板帶材的發(fā)展。

4 氣墊爐的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵重點(diǎn)技術(shù)分析

4.1 氣墊爐的研究現(xiàn)狀

與氣墊爐的發(fā)展相對(duì)應(yīng)，氣墊爐的研究明顯地也分為兩個(gè)階段。

第一階段，1990年之前。這一時(shí)期，隨著氣墊爐的第一次應(yīng)用高潮的興起，氣墊爐的研究也興起了一個(gè)高潮，在這一時(shí)期，美國、歐洲、日本研究開發(fā)了氣墊爐技術(shù)，并申請(qǐng)了大量的專利。美國的Surface公司在1967年提出了動(dòng)壓氣墊和靜壓氣墊結(jié)合的氣墊結(jié)構(gòu)[18]，并申請(qǐng)了專利，這種氣墊結(jié)構(gòu)取得了較好的氣墊漂浮和加熱效果，基于這種氣墊結(jié)構(gòu)的氣墊爐被Surface公司推廣了很多套（見表1）。日本的芋獺正行等總結(jié)了當(dāng)時(shí)各國的有特點(diǎn)的氣墊爐專利，并介紹了日本中外爐公司的氣墊機(jī)列[9]。日本吉本弘和川手賢治研究了鋁帶氣墊爐內(nèi)鋁帶發(fā)生褶皺的原因和消除措施[19]。日本的真木升介紹了氣墊噴嘴式帶材連續(xù)涂飾干燥和熱處理機(jī)列（VITS）氣墊爐機(jī)列和有關(guān)的設(shè)備，主要論述了帶材的連續(xù)涂飾工藝[20]。國內(nèi)周鴻章對(duì)西南鋁公司1986年引進(jìn)的Surface公司的氣墊爐進(jìn)行了介紹[10，19，20]；中南大學(xué)的陳文修等在1988到1990年對(duì)Surface公司的氣墊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，以該校實(shí)驗(yàn)室的氣墊爐實(shí)驗(yàn)設(shè)備為基礎(chǔ)，研究了動(dòng)壓及靜壓噴嘴的漂浮機(jī)理及其特性；通過研究氣墊氣流與金屬板帶材之間的對(duì)流傳熱，建立了用于動(dòng)壓氣墊和靜壓氣墊對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算的兩個(gè)準(zhǔn)數(shù)方程；建立了氣墊薄層流場的解析式，運(yùn)用能流理論，建立了漂浮高度與氣體流量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型[21～25]。

第二階段，2000年以后。在這一時(shí)期，氣墊噴嘴已發(fā)展為動(dòng)靜結(jié)合的結(jié)構(gòu)，國外EBNER、奧托容克公司（Otto Junker）、倍威格工程技術(shù)有限公司（WSP）等公司都形成了自己的專利和氣墊爐技術(shù)，德國的Carl K博士對(duì)銅帶的氣墊爐進(jìn)行了研究[26]，國內(nèi)史步海和路振龍等分別對(duì)引進(jìn)的銅帶氣墊爐張力控制及氣墊爐爐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算研究[27，28]。除此之外，鮮有氣墊爐技術(shù)的文獻(xiàn)。

4.2 汽車板氣墊爐關(guān)鍵技術(shù)及研究重點(diǎn)

1）鋁帶氣墊式動(dòng)態(tài)穩(wěn)定漂浮技術(shù)。鋁帶在加熱和冷卻過程中，必須穩(wěn)定漂浮，這樣才能保證獲得良好的表面質(zhì)量，為此針對(duì)各種形狀和結(jié)構(gòu)的氣墊噴嘴，需要通過對(duì)噴嘴與鋁帶間的氣體的氣流進(jìn)行數(shù)值流動(dòng)模擬分析，系統(tǒng)地研究氣流流速、壓力、噴嘴類型和噴嘴傾斜角度與氣墊漂浮力、鋁帶漂浮高度的關(guān)系，研究鋁帶厚度、寬度變化時(shí)需要的上下噴嘴流量和壓力的變化關(guān)系，確定合適的噴嘴寬向排布方式，實(shí)現(xiàn)鋁帶漂浮的自動(dòng)對(duì)中。

2）氣墊式噴嘴氣流的加熱均勻性及其高精度溫度控制技術(shù)。固溶溫度和鋁合金的三元共晶點(diǎn)（α+θ+L）十分接近，固溶溫度的上下限范圍很窄，鋁合金對(duì)過燒和過熱很敏感，因此要求淬火爐內(nèi)的溫度場分布必須十分均勻，且要求控制精度高。鋁合金熱處理規(guī)范中規(guī)定了±3℃之內(nèi)的爐溫均勻度要求。鋁帶在爐內(nèi)保溫段的溫差越小越好，國外高水平鋁合金淬火固溶爐的爐溫在±1.5℃之內(nèi)，板溫均勻性在±2℃之內(nèi)。

氣墊噴嘴在實(shí)現(xiàn)鋁帶穩(wěn)定漂浮的同時(shí)，熱空氣不斷沖擊鋁帶，與鋁帶進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱，在此過程中，要保證鋁帶在爐內(nèi)的寬向和長度方向上的溫度均勻性，需要進(jìn)行噴嘴內(nèi)氣體流動(dòng)規(guī)律計(jì)算、爐內(nèi)流場及溫度場分析、鋁帶表面對(duì)流換熱計(jì)算、鋁帶導(dǎo)熱計(jì)算，分析鋁帶加熱過程傳熱規(guī)律。鋁帶的加熱速度影響加熱質(zhì)量、生產(chǎn)效率，需要研究其與氣流速度、氣流方向、加熱循環(huán)介質(zhì)量的關(guān)系，建立相關(guān)控制模型。

3）氣墊爐熱風(fēng)導(dǎo)流、均流管路和噴箱內(nèi)部均流、均壓技術(shù)。從循環(huán)風(fēng)機(jī)出來的熱風(fēng)需經(jīng)導(dǎo)流管路和噴箱，將熱風(fēng)平均分配給噴嘴，因此需研究噴箱結(jié)構(gòu)參數(shù)、導(dǎo)流和均流裝置對(duì)熱風(fēng)壓力和流量的影響，研究出合理的熱風(fēng)導(dǎo)流、均流裝置和噴箱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)氣流最優(yōu)分配。圖6為某典型氣墊爐導(dǎo)流管路和噴箱布置及氣流循環(huán)圖。

圖6 典型氣墊爐導(dǎo)流管路、噴箱布置及氣流循環(huán)圖Fig.6 Typical diversion pipeline，spray box layout and air circulation in floater furnace

以上3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是相互聯(lián)系的，要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定漂浮和均勻加熱，必然要求各噴嘴的氣壓一致且均勻，但是鋁帶品種、厚度、寬度不同，對(duì)加熱溫度、加熱速度的要求不同，噴嘴的氣體溫度、壓力和流量也不同，在不同的加熱工藝和鋁帶規(guī)格的情況下，如何控制加熱元件的加熱功率及風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，既實(shí)現(xiàn)工藝要求的快速加熱又使鋁帶動(dòng)態(tài)穩(wěn)定漂浮是相互耦合的兩個(gè)控制問題，為此需要明確兩者間的耦合關(guān)系，建立耦合計(jì)算模型，開發(fā)帶材加熱速度可控且不影響其傳輸過程的控制技術(shù)。

4）鋁帶的板形控制問題。因?yàn)榧訜徇^程發(fā)生膨脹，冷卻過程發(fā)生收縮，所以在由加熱向冷卻過渡的區(qū)域，通常熱應(yīng)力值較大；同時(shí)爐內(nèi)張力增加時(shí)，帶材上的應(yīng)力再次增加，帶材強(qiáng)度弱的部位經(jīng)受不住這種應(yīng)力，便會(huì)發(fā)生折皺。鋁帶在加熱后的快速冷卻過程中，極易出現(xiàn)板形問題，同時(shí)由于要實(shí)現(xiàn)多品種的不同熱處理工藝，要求冷速的可調(diào)、可控范圍較大。

通過加熱過程的溫度均勻性控制、冷卻過程的溫度均勻性控制、合理的冷后拉矯工藝和拉矯過程的高精度控制等措施來解決板形的控制問題。

5）淬火冷卻速度及冷卻路徑控制。冷卻段可采用的冷卻形式有水冷、汽霧冷和氣冷，為此，需要研究整體高性能均勻化水冷噴嘴、汽霧噴嘴和氣冷噴嘴，研究噴嘴進(jìn)水和進(jìn)氣方式、均流裝置、噴嘴體型等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻介質(zhì)流量分布及鋁合金板帶材冷卻特性的影響規(guī)律；并針對(duì)汽車及航空用鋁合金板帶品種多、厚度范圍大的特點(diǎn)，研究復(fù)合冷卻方式下快速冷卻機(jī)理，開發(fā)冷速控制技術(shù)和按工藝路徑冷卻技術(shù)。

6）轉(zhuǎn)移時(shí)間控制。鋁帶從出爐到進(jìn)淬火段的間隔時(shí)間稱為轉(zhuǎn)移時(shí)間。轉(zhuǎn)移時(shí)間過長會(huì)引起溫度下降較大，這可導(dǎo)致固溶體發(fā)生部分分解，析出粗大疏松相，產(chǎn)生組織偏析，降低時(shí)效強(qiáng)化效果，增加合金的晶間腐蝕傾向，轉(zhuǎn)移時(shí)間越短越好。溫度下降5℃，強(qiáng)度可降低20%，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為7～25 s。轉(zhuǎn)移時(shí)間與鋁帶的通過速度有關(guān)，而鋁帶的通過速度又與加熱工藝、氣墊加熱能力、冷卻工藝和設(shè)備的冷卻能力有關(guān)，為此需要研究在保證最低冷卻速度（如淬火的臨界速度）時(shí)鋁帶的通過速度對(duì)轉(zhuǎn)移時(shí)間的影響，轉(zhuǎn)移時(shí)間對(duì)組織的影響及減少轉(zhuǎn)移時(shí)間的措施。

7）鋁帶預(yù)處理工藝的研究。汽車板的預(yù)處理工藝過程包括加熱、保溫、冷卻和預(yù)時(shí)效，研究不同工藝參數(shù)下的材料力學(xué)性能和組織的演化規(guī)律及其控制手段與因素，進(jìn)行微觀組織和宏觀性能的模擬與實(shí)驗(yàn)，積累生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫是重要和核心的研究內(nèi)容，需要長期、系統(tǒng)和深入的研究[1，29]。

5 結(jié)語

綜合上述對(duì)鋁帶熱處理原理、氣墊爐的工作原理以及氣墊爐氣墊噴嘴的發(fā)展演變過程的論述和探討，可以得出：

1）汽車工業(yè)的發(fā)展、節(jié)能減排和安全法規(guī)的要求使鋁合金汽車板的應(yīng)用迅速增長，而汽車用鋁板要求抗時(shí)效穩(wěn)定性、成形性、翻邊延性等多種性能的合理匹配，從而促使了預(yù)處理工藝的研究和發(fā)展，由于鋁合金自身的一些特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)鋁合金的預(yù)處理工藝，必須開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品表面質(zhì)量好、性能均勻一致、生產(chǎn)率高的熱處理生產(chǎn)線，這就促使了高品質(zhì)鋁合金板材處理的關(guān)鍵設(shè)備——?dú)鈮|爐的快速發(fā)展和應(yīng)用；

2）氣墊爐熱處理是使工件漂浮在氣墊上進(jìn)行加熱、冷卻和時(shí)效的工藝裝備，它具有加熱速度快、溫度控制精準(zhǔn)、溫度均勻性好、自動(dòng)化程度高、處理時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、處理后工件表面質(zhì)量好、性能一致性好等特點(diǎn)，是目前滿足鋁合金板材熱處理技術(shù)要求和高性能汽車板性能要求的唯一處理裝備；

3）氣墊爐發(fā)展分為兩個(gè)階段，國外一些知名公司針對(duì)鋁合金汽車板的高性能要求，已經(jīng)開發(fā)和建設(shè)了氣墊爐第二階段的生產(chǎn)線，大大提高了國外鋁合金板材的質(zhì)量和市場競爭力，但目前這類裝備和技術(shù)均被國外知名公司壟斷，引進(jìn)價(jià)位很高，嚴(yán)重影響了我國高品質(zhì)汽車鋁合金板帶的生產(chǎn)和供應(yīng)，因此對(duì)氣墊爐的關(guān)鍵技術(shù)，包括氣墊爐的加熱均勻性、溫度精準(zhǔn)控制技術(shù)、熱處理后的板形控制技術(shù)、淬火冷卻速度和冷卻路徑控制技術(shù)、氣墊爐預(yù)處理線的總線匹配技術(shù)以及鋁帶的預(yù)處理技術(shù)等進(jìn)行深入的研究開發(fā)，建設(shè)我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣墊爐生產(chǎn)線乃是當(dāng)務(wù)之急。

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Review and prospect of the air cushion furnace technology for aluminium alloy automotive sheet pre-treatment

Li Yong1，Wang Zhaodong1，Ma Mingtu2，Wang Guodong1，F(xiàn)u Tianliang1，Li Jiadong1
（1.The State Key Laboratory of Rolling and Automation，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.China Automotive Engineering Research Institute Co.Ltd.，Chongqing 400039，China）

First，the process characteristics of aluminium alloy automotive sheet pre-treatment and the working principle of the air cushion furnace were introduced.The process location and irreplaceable role of air cushion furnace in the aluminium alloy automotive sheet production waspointedoutafterthedifficultyandkeypointinthewholeproductionprocessoftheautomotive sheet were studied.Then development process of air cushion furnace line of aluminum alloy sheet was reviewed，summarized and divided to two stages.Based on the research status of the air cushion furnace，the key technology of it was analysed，and research key points on process，equipment and control models of air cushion furnace for aluminium alloy automotive sheet in future were put forward.As the rapid develop of the automotive industry，it will be certainly come that the new upsurge of the research and application of air cushion furnace for pretreatment of aluminum alloy automotive sheet.

aluminum alloy；auto body sheet；shate products；air cushion furnace；pretreatment technology

TG166.3

A

1009-1742（2014）01-0014-09

2013-10-12

遼寧省科技項(xiàng)目（L2013113）

李 勇，1979年出生，男，湖北十堰市人，博士，主要從事板帶軋制、熱處理過程的工藝、模型和控制研究；E-mail：liyong@ral.neu.edu.cn